正電子發射斷層成像系統及其圖像重建方法與流程

2023-05-15 09:43:56 2

本發明主要涉及醫學圖像診斷設備，尤其涉及一種正電子發射斷層成像(positronemissiontomography,pet)系統及其圖像重建方法。

背景技術：

pet是核醫學領域比較先進的一種臨床檢查影像技術，現已在醫學生物研究和臨床診斷及處理中擔任重要角色。

pet是從人體分子水平反映人體內臟器和組織的功能及代謝狀況的診斷技術。pet將含有正電子放射性的藥物(如18f-fdg)注入人體，由於fdg的代謝情況與葡萄糖非常相似，可聚集在消化葡萄糖的細胞內，尤其是生長迅速的腫瘤組織藥物攝取是不一樣的。18f衰變放出的正電子將與組織中的負電子發生湮滅反應，產生能量相等、方向相反的兩個γ光子，通過環繞人體的探測器陣列，利用符合測量技術測量出這兩個光子，就可獲得正電子的位置信息，再用圖像重建軟體進行處理後可得到正電子在人體內分布情況的斷層圖像。

圖1是pet系統的常規結構。參考圖1所示，在機架(gantry)11中形成通道12，一個檢查床13可移入或移出通道12。被檢者躺在檢查床13的床面14上，檢查床13被移入通道12後，機架11內設置的環繞通道12的探測器陣列可探測上述反應產生的光子。

當前pet系統的軸向掃描視野範圍局限在25公分左右，遠遠短於人體全身的長度，比如2米。為了改進pet系統，已經提出了在機架的整個軸向長度上設置多個pet探測器單元，從而大幅地擴大在身體軸線方向上的掃描視野。例如，將身體軸線方向上的掃描視野擴大到約2米的長度，從而能夠同時診斷被檢者的從頭頂到腳趾的整個身體。

視野擴大會帶來的靈敏度幾十倍的提升，但是其超高的計數率是目前現有電子學邏輯所不能夠應對的；同時，傳統pet圖像重建的成像速度也會因為高計數而變慢幾十倍。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種正電子發射斷層成像系統及其圖像重建方法，可以有效收取高計數率下海量的符合信號。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種正電子發射斷層成像系統，包括：多個沿著軸向排列的探測器單元，每一探測器單元適於產生多個單事件計數；多個符合邏輯電路，每一符合邏輯電路連接到一個或多個對應的探測器單元，其中各探測器單元產生的單事件數據發送到對應的符合邏輯電路，該多個符合邏輯電路並行地產生該多個探測器單元的符合計數。

在本發明的一種實施方式中，所述多個探測器單元產生的單事件數據均勻或不均勻地分配到各符合邏輯電路進行符合計數。

在本發明的一種實施方式中，至少部分符合邏輯電路對來自不同或相同探測器單元的單事件數據進行符合計數。

在本發明的一種實施方式中，該正電子發射斷層成像系統中符合邏輯電路的數量與探測器單元的數量相同或不同。

在本發明的一種實施方式中，每一符合邏輯電路對應地設置在一個探測器單元上。

在本發明的一種實施方式中，還包括第一處理器，該第一處理器連接到該多個符合邏輯電路，各符合邏輯電路產生的符合計數發送到該第一處理器，該第一處理器對符合計數進行反向投影，該系統使用該反向投影進行正投影。

在本發明的一種實施方式中，還包括多個第一處理器，每一第一處理器連接到一個或多個符合邏輯電路，各符合邏輯電路產生的符合計數發送到各第一處理器，該多個第一處理器並行地對符合計數進行反向投影。

在本發明的一種實施方式中，還包括一個第二處理器，該第二處理器連接到該多個第一處理器，各第一處理器產生的反向投影發送到第二處理器，該第二處理器對反向投影進行疊加，所述正電子發射斷層成像系統使用疊加的反向投影進行正投影。

為解決上述問題，本發明提供了一種用於正電子發射斷層成像系統的圖像重建方法，包括以下步驟：在多個沿著軸向排列的探測器單元中的每一探測器單元產生多個單事件計數；將各探測器單元產生的單事件數據發送到對應的符合邏輯電路，該多個符合邏輯電路連接到一個或多個對應的探測器單元，且並行地產生該多個探測器單元的符合計數。

在本發明的一種實施方式中，所述多個探測器單元產生的單事件數據均勻或不均勻地分配到各符合邏輯電路進行符合計數。

在本發明的一種實施方式中，還包括將各符合邏輯電路產生的符合計數發送到第一處理器，該第一處理器對符合計數進行反向投影，該正電子發射斷層成像系統使用疊加的反向投影進行正投影。

為解決上述問題，本發明提供了另一種正電子發射斷層成像系統，包括：多個環狀的探測器單元，沿軸向依次排列；所述探測器單元用於對單事件計數；多個符合邏輯電路，與一個或多個對應的探測器單元連接，用於對符合事件計數，所述符合事件包括由單個探測器單元獲取的符合事件或者由符合配對規則的兩個探測器單元所獲取的符合事件；計算裝置，包括數個計算節點，用於隨機地接收符合事件計數，並進行圖像重建。

在本發明的一種實施方式中，所述配對規則是指：對所述多個探測器單元進行順序編號，第n個探測器單元僅與編號在後的探測器單元存在符合配對關係，其中n小於k，k為探測器單元的總數，n、k為自然數。

在本發明的一種實施方式中，所述正電子發射斷層成像系統包括k個環狀的探測器單元，所述k個環狀的探測器單元有多種配對組合，每一種配對組合包括一個或兩個探測器單元，所述多個符合邏輯電路用於對所述配對組合獲取的符合事件計數，其中k為探測器單元的總數，k為自然數。

在本發明的一種實施方式中，從所述配對組合中選擇k(k+1)/2種配對組合或小於k(k+1)/2種配對組合，所述多個符合邏輯電路用於對所選擇的配對組合獲取的符合事件計數。

與現有技術相比，本發明的正電子發射斷層成像系統及其圖像重建方法通過分布式符合邏輯電路解決了延長軸向掃描視野、正電子發射斷層成像探測器單元的高計數率和海量符合信號的電子學採集問題，從而能夠使得超長軸向掃描視野的正電子發射斷層成像系統的高靈敏度、快速成像性能得到充分發揮。

附圖說明

圖1是pet系統的常規結構。

圖2是本發明一實施例的pet系統的立體圖。

圖3是圖1所示pet系統的機架殼體被移開後的立體圖。

圖4是圖2所示pet系統中一個探測器單元被移開的示意圖。

圖5是圖2所示pet系統的測量架構圖。

圖6是本發明一實施例的符合測量裝置示意圖。

圖7是本發明一實施例的符合邏輯電路分布示意圖。

圖8是本發明一實施例的符合邏輯任務分配示意圖。

圖9是本發明另一實施例的符合邏輯任務分配示意圖。

圖10是本發明另一實施例的符合邏輯電路分布及任務分配示意圖。

圖11是本發明一實施例的pet系統的圖像重建架構圖。

圖12是本發明另一實施例的pet系統的圖像重建架構圖。

具體實施方式

為讓本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發明的具體實施方式作詳細說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其它不同於在此描述的其它方式來實施，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

圖2是本發明一實施例的pet系統的立體圖。參考圖2所示，本實施例的pet系統在機架21中形成通道22，一個檢查床23可移入或移出通道22。被檢者躺在檢查床23的床面24上，檢查床23被移入通道22後，機架21內設置的環繞通道22的探測器陣列可探測γ光子，探測器陣列被殼體27覆蓋。

參考圖2至圖4所示，機架21沿被檢者的身體軸線方向延長，並且探測器單元25設置在機架的整個長度上。因此大幅地擴大了身體軸線方向上的掃描視野。例如，身體軸線方向上的掃描視野被擴大至約100cm的長度，由此可以同時診斷被檢者的整個軀幹。也可以使身體軸線方向上的掃描視野擴大至約200cm的長度，由此可以同時診斷被檢者的從頭頂到腳趾的整個身體。

本實施例的pet系統包括多個沿著軸向排列的探測器單元25，每一探測器單元25適於產生多個單事件計數。探測器單元25由探測元件26和信號處理電路(圖中未示出)構成。本實施例的探測器單元25中，以如下方式設置許多探測元件26：探測元件26沿探測器單元25的周向和身體軸線方向排列。

探測元件26例如是由閃爍晶體和光電倍增管構成。閃爍晶體接收來自被檢體內的放射性同位素的成對湮滅γ射線，產生閃爍光。各閃爍晶體被配置為各閃爍晶體的長軸方向與探測器單元的徑向大致一致。光電倍增管被設置在與正交於中心軸的徑向有關的、閃爍晶體的一端部上。典型情況是，探測器單元中所包含的多個閃爍晶體與多個光電倍增管被排列成同心圓筒狀。在閃爍晶體中所產生的閃爍光在閃爍晶體內傳播，並朝向光電倍增管。光電倍增管產生與閃爍光的光量相應的脈衝狀電信號。所產生的電信號，被供給圖5所示的信號處理電路28。

圖5是圖2所示pet系統的測量架構圖。參考圖5所示，信號處理電路28根據來自光電倍增管的電信號生成單事件數據(singleeventdata)。具體情況是，信號處理電路28實施檢測時刻測量處理、位置計算處理以及能量計算處理。在檢測時刻測量處理中，信號處理電路28測量探測器的γ射線的檢測時刻。具體情況是，信號處理電路28監視來自光電倍增管的電信號的峰值。然後，信號處理電路28測量電信號的峰值超過預先設定的閾值的時刻作為檢測時刻。即，信號處理電路28通過檢出電信號的強度超過閾值這一情況，從而電檢測湮沒γ射線。在位置計算處理中，信號處理電路28根據來自光電倍增管的電信號，計算湮沒γ射線的入射位置。湮沒γ射線的入射位置與湮沒γ射線入射到的閃爍晶體的位置坐標對應。在能量計算處理中，信號處理電路28根據來自光電倍增管的電信號，計算入射至閃爍晶體的湮沒γ射線的能量值。所生成的單事件數據被供給至符合邏輯電路29。符合邏輯電路29對與多個單事件有關的單事件數據實施符合計數處理。

符合邏輯電路29從重複供給的單事件數據中重複確定容納在與預先設定的時間範圍內的2個單事件有關的成對的單事件數據。例如時間範圍被設定為6ns～18ns左右。該成對的單事件被推測為由來於從同一成對湮沒點產生的成對湮沒γ射線。成對的單事件概括地被稱為符合事件。連結檢測出該成對湮沒γ射線的成對的探測元件的線被稱為響應線(lineofresponse,lor)。這樣，符合邏輯電路針對每一lor計數符合事件。

圖6是本發明一實施例的符合測量裝置示意圖。參考圖6所示，本實施例的pet系統包括多個沿著被檢體的身體軸向排列的探測器單元61，例如由8個探測器單元61沿被檢體的身體軸向排列，組合成一個pet系統。每一個探測器單元61具有長度為25cm的軸向掃描視野，則組合後的pet系統可以達到長度為200cm的軸向掃描視野。

每一探測器單元61適於產生多個單事件計數。在此，以pet系統包含8個探測器單元為例進行說明，將每一探測器單元稱為pk,k＝1,2,…,8；pet系統稱為p。某個pk上採集的許多單事件計數(或稱信號)均稱為sk。pet系統還包括多個符合邏輯電路62。假設有8個符合邏輯電路62，在此將每一符合邏輯電路62稱為ci,i＝1,2,…,8。每一符合邏輯電路62可獨立設置在一個探測器單元61上。每一符合邏輯電路62連接到一個或多個對應的探測器單元61，各探測器單元61產生的單事件數據發送到對應的符合邏輯電路62，該多個符合邏輯電路62用以對探測器單元61產生的單事件數據進行符合計數。例如當符合邏輯電路c1需要使用探測器單元p1,p2,p3,p4的單事件數據時，可以連接這些探測器單元。同理，符合邏輯電路c1，c2，…，c8等可以連接探測器單元p1,p2,p3,…,p8中的任何一個或多個。這樣，把每個探測器單元pk上採集得到的單事件信號sk通過數據總線發送到所有涉及pk的符合邏輯電路上。該多個符合邏輯電路可以並行地產生該多個探測器單元的符合計數。圖7是本發明一實施例的符合邏輯電路分布示意圖。參考圖7所示，符合邏輯電路c1可接收單事件信號s1,s2,…s8，符合邏輯電路c2可接收單事件信號s2,s3,…s8，符合邏輯電路c3可接收單事件信號s3,s4,…s8，…，符合邏輯電路c8可接收兩個單事件信號s8。

多個符合邏輯電路62，與一個或多個對應的探測器單元61連接，用於對符合事件計數，該符合事件包括由單個探測器單元61獲取的符合事件或者由符合配對規則的兩個探測器單元61所獲取的符合事件。例如圖6中兩個不同的單事件信號s11,s12分別來自探測器單元p1上兩個相對的探測元件。滿足要求的兩個單事件計數也可能來自不同探測器單元61，例如圖6中兩個不同的單事件信號s13,s21分別來自探測器單元p1和探測器單元p2上兩個傾斜相對的探測元件。在此，從任何一個符合計數都可以得知其兩個單事件是各來自哪個pk，這裡整個系統p的符合計數集合稱為c(k1,k2)，k1,2＝1,2,…,8，k1和k2體現了探測器單元61的符合配對關係。

對於軸向拓展而得的pet系統來講，其是否具備高靈敏度性能要取決於能否有效收集符合計數c(k1,k2)，其中k1≠k2。目前的電子學邏輯無法做到讓所有的sk同時輸送到一個符合邏輯電路裡去產生符合計數c(k1,k2)，因為前端電子學將因高單事件計數率而發生死時間效應而癱瘓，使得pet系統無法在正常的臨床掃描活度下工作。本發明的實施例中，多個符合邏輯電路62可以並行地接收探測器單元61的單事件數據，且並行地產生多個探測器單元61的符合計數，從而解決海量符合信號的收取和測量問題。

圖8是本發明一實施例的符合邏輯任務分配示意圖。各符合邏輯電路可以按照圖8所示的方式對符合事件計數。需要計數的符合事件包括由單個探測器單元獲取的符合事件或者由符合配對規則的兩個探測器單元所獲取的符合事件。例如符合配對規則是指：對所述多個探測器單元進行順序編號，第n個探測器單元僅與編號在後的探測器單元存在符合配對關係，其中n小於k，k為探測器單元的總數，n、k為自然數。

按照上述配對規則，符合邏輯電路c1負責：對來自同一探測器單元p1的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p1和探測器單元p2的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p1和探測器單元p3的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p1和探測器單元p4的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p1和探測器單元p5的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p1和探測器單元p6的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p1和探測器單元p7的兩個單事件進行符合計數，以及對分別來自探測器單元p1和探測器單元p8的兩個單事件進行符合計數，從而產生符合計數c(1,1),c(1,2),c(1,3),c(1,4),c(1,5),c(1,6),c(1,7),c(1,8)；符合邏輯電路c2負責：對來自同一探測器單元p2的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p2和探測器單元p3的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p2和探測器單元p4的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p2和探測器單元p5的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p2和探測器單元p6的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p2和探測器單元p7的兩個單事件進行符合計數，對分別來自探測器單元p2和探測器單元p8的兩個單事件進行符合計數，從而產生符合計數c(2,2),c(2,3),c(2,4),c(2,5),c(2,6),c(2,7),c(2,8)；以此類推，符合邏輯電路c3負責產生符合計數c(3,3),c(3,4),c(3,5),…,c(3,8)；……符合邏輯電路c8負責產生符合計數c(8,8)。也就是說，根據單事件sk的標記，每一個sk只和來自pk或者pk+1的sk或者sk+1做符合。因此整個系統p的符合計數可以按照其單事件是來自哪兩個pk來分類。c(1,1),c(2,2),…,c(8,8)就是單個pet探測器單元pk上收到的符合計數，而其他c(k1,k2)，其中k1≠k2，就是由來自不同的探測器單元pk1的單事件sk1和探測器單元pk2的sk2符合而成。對於由k＝8個探測器單元構建的系統p而言，按照圖8所示的符合邏輯，8個探測器單元一共可以有k(k+1)/2＝36種配對組合，每一種配對組合包括一個或兩個探測器單元。在36種配對組合中，包括8種來自同一探測器單元的符合配對，以及k(k-1)/2＝28種來自不同探測器單元的符合配對。多個符合邏輯電路用於對上述36種配對組合獲取的符合事件計數。在其他實施例中，還可以從所述配對組合中選擇部分配對組合，即小於k(k+1)/2＝36種的配對組合，多個符合邏輯電路用於對所選擇的配對組合獲取的符合事件計數。在圖8所示實施例中，各探測器單元產生的單事件計數不均勻地分配到各符合邏輯電路進行符合計數，c1到c8分別是8個，7個，6個，……，1個。圖9是本發明另一實施例的符合邏輯任務分配示意圖。參考圖9所示，各符合邏輯電路可以基本上均勻地分配各探測器單元的符合配對任務，c1到c8分別是5個，5個，5個，5個，4個，4個，4個，4個。

圖10是本發明另一實施例的符合邏輯電路分布及任務分配示意圖。參考圖10所示，可以不在每個探測器單元上獨立配置符合邏輯電路，即多個探測器單元和符合邏輯電路不存在一一對應關係。各符合邏輯電路仍可以基本上均勻地分配各探測器單元的符合配對任務，符合邏輯電路c1到c6均是6個，其中符合邏輯電路c4分配到c(4,4),c(4,5),c(4,6),c(4,7)，c(4,8),c(5,5)的符合計數產生，符合邏輯電路c5分配到c(5,6),c(5,7),c(5,8),c(6,6)，c(6,7),c(6,8)的符合計數產生，符合邏輯電路c6分配到c(1,7),c(7,7),c(7,8),c(1,8)，c(2,8),c(8,8)的符合計數產生。

從另一角度看，本發明的實施例提出一種pet系統的圖像重建方法，包括以下步驟：在多個沿著軸向排列的探測器單元中的每一探測器單元產生多個單事件計數；將各探測器單元產生的單事件計數發送到對應的符合邏輯電路，該多個符合邏輯電路連接到一個或多個對應的探測器單元，且並行地產生該多個探測器單元的符合計數。

圖11是本發明一實施例的pet系統的圖像重建架構圖。參考圖11所示，本實施例的圖像重建架構包括多個探測器單元61、多個符合邏輯電路62和計算系統63。多個探測器單元61和多個符合邏輯電路62的細節可以參考前文所示，在此不再贅述。計算系統63連接多個符合邏輯電路62。計算系統63可以根據系統發送過來的符合事件c(k1,k2)中k1,k2來確定反投影計算的方向，從而通過反投影、正投影圖像進行迭代重建，如採用有序子集最大期望值迭代法(orderedsubsetsexpectationmaximization，osem)，從而完成圖像重建。計算系統63可包括一個處理器以進行反投影計算。處理器可以是通用處理器(cpu)或者圖像處理器(gpu)。

圖12是本發明另一實施例的pet系統的圖像重建架構圖。參考圖11所示，本實施例的圖像重建架構包括多個探測器單元61、多個符合邏輯電路62和計算系統64。多個探測器單元61和多個符合邏輯電路62的細節可以參考前文所示，在此不再贅述。計算系統64可包括多個計算節點65，各計算節點65對應地連接各符合邏輯電路62。各計算節點65可以根據系統分配過來的符合事件c(k1,k2)中k1,k2來並行地確定正、反投影計算的方向，從而採用osem算法計算反投影圖像。考慮到計算任務的效率，可以將符合事件隨機地分配給各計算節點65。反投影圖像隨後發送到圖像累加節點66上進行累加，累加完畢後，圖像就完成一次迭代，累加的圖像可以用來下一次正投影，這樣多次迭代，最終完成圖像重建。在本實施例中，計算節點的實例是第一處理器，圖像累加節點的實例是第二處理器。處理器可以是通用處理器(cpu)或者圖像處理器(gpu)。

本發明上文描述的實施例，通過分布式符合邏輯電路解決了延長軸向掃描視野，探測器單元的高計數率和海量符合信號的電子學採集問題，能夠使得超長軸向掃描視野的pet系統的高靈密度性能得到充分發揮。並且本發明的上述實施例解決對這些海量的符合信號進行快速重建的問題，使得超長軸向掃描視野的pet系統具備即時高清全身成像能力。

雖然本發明已參照當前的具體實施例來描述，但是本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，在沒有脫離本發明精神的情況下還可作出各種等效的變化或替換，因此，只要在本發明的實質精神範圍內對上述實施例的變化、變型都將落在本申請的權利要求書的範圍內。